Vorrichtung zum Verbinden von Blechen durch Stanznieten oder Durchsetzfügen

Abstract

 Vorrichtung zum Verbinden von Blechen durch Stanznieten oder Durchsetzfügen mit einer Matrize (10; 20), wobei die Matrize (10; 20) zumindest teilweise mit einer Kohlenstoffschicht, vorzugsweise mit einer "diamond-like Carbon"-(DLC)-Beschichtung oder einer durch Plasmabeschichtung oder Sputtern aufgebrachten Kohlenstoffschicht beschichtet ist.

Beschreibung

[0001] Bei Vorrichtungen zum Verbinden von Blechen durch Stanznieten oder Durchsetzfügen besteht das Problem, daß jeweils sehr hohe Kräfte aufgebracht werden müssen. Dadurch kommt es häufig, insbesondere bei der Verarbeitung von Aluminiumblechen, zu Anlegierungen an die Stanznietmatrizen und die Matrizen und Stempel, die beim Durchsetzfügen (Clinchen) verwendet werden.

[0002] Ausgehend von dieser Problematik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die entsprechenden Stanznietmatrizen bzw. Matrizen und Stempel für das Durchsetzfügen dergestalt weiterzuentwickeln, daß deutlich niedrigere Kräfte bei der Verarbeitung erforderlich sind, und das Problem des Entstehens von Anlegierungen an die Matrizen, also einer Art Kaltschweißen oder "Fressen", verhindert werden. Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Matrize zumindest teilweise mit einer Kohlenstoffschicht beschichtet ist. Überraschenderweise führt eine solche Beschichtung dazu, daß um etwa 20 % geringere Kräfte für das Herstellen der gleichen Verbindung erforderlich sind. Außerdem wird das Problem mit dem Anlegieren von Aluminiumblechen sicher behoben. Zusätzlich wird der Verschleiß der Matrizen erheblich geringer, und selbst wenn Verschleiß auftritt, führt dieser üblicherweise nur zur einer Abnutzung der Beschichtung, so daß die Matrize nach einer geeigneten Nachbeschichtung weiter verwendet werden kann, und nicht durch eine neue Matrize ersetzt werden muß.

[0003] Um Kosten bei der Beschichtung zu sparen, kann es bevorzugt sein, daß lediglich die dem Fügepunkt zugewandten Bereiche der Matrize mit einer entsprechenden Kohlenstoffschicht beschichtet sind.

[0004] Bei Vorrichtungen zum Durchsetzfügen, die ja zusätzlich zu der Matrize einen Stempel aufweisen, ist es besonders bevorzugt, wenn auch der Stempel zumindest teilweise mit einer entsprechenden Kohlenstoffschicht beschichtet ist.

[0005] Dabei weist die Matrize häufig einen Amboß mit auf diesem seitlich beweglichen Backen auf, wobei es dann besonders bevorzugt ist, daß sowohl der Amboß als auch die Backen zumindest teilweise mit einer Kohlenstoffschicht beschichtet sind.

[0006] Als besonders geeignete Beschichtung hat sich eine Kohlenstoffbeschichtung in Form einer "Diamond like Carbon"-(DLC)-Beschichtung erwiesen.

[0007] Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn die Kohlenstoffschicht durch Plasmabeschichten oder Sputtern aufgebracht ist.

[0008] Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand der in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Matrize für das Stanznieten;

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Matrize für das Durchsetzfügen;

Fig. 3 den Amboß der Matrize gemäß Fig. 2;

Fig. 4 die Backen der Matrize gem. Fig. 2;

Fig. 5 den erfindungsgemäß beschichteten Stempel zu der Matrize gemäß Fig. 2.

[0009] Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in Form einer Matrize für das Stanznieten. Die entsprechende Matrize 10 weist eine kreisringförmige, glatte äußere Oberfläche 12 auf, die den durch ein Stanzniet zu verbindenden Blechteilen zugewandt ist. In der Mitte dieser kreisringförmigen Fläche 12 ist ein Gesenk 14 ausgenommen, in dem der Fügepunkt bei dem Stanznietvorgang gebildet wird.

[0010] Wie in Fig. 1 durch die strichpunktierten Linien angedeutet, sind die Oberfläche 12 und das Gesenk 14 erfindungsgemäß speziell mit Kohlenstoff beschichtet. Es handelt sich dabei um eine sogenannte "Diamond like Carbon"-(DCL)-Beschichtung. Erfindungsgemäß kann ebenfalls eine Plasmabeschichtung mit Kohlenstoff oder eine Beschichtung durch Aufsputtern von Kohlenstoff verwendet werden. Alle diese Verfahren erzeugen eine extrem dünne kristalline Kohlenstoffablagerung auf dem behandelten Gegenstand. Wie in Fig. 1 dargestellt, kann sich die entsprechende Beschichtung noch um die Ecke herum auf eine Teilfläche der Mantelfläche der Matrize 10 erstrecken. Entscheidend ist jedoch, daß diejenigen Flächen beschichtet sind, die mit dem zu verarbeitenden Blech in Berührung kommen.

[0011] Fig. 2 zeigt eine Matrize 20 für das Durchsetzfügen. Diese besteht aus einem im wesentlichen zylindrischen Amboß 22, der auch in Fig. 3 alleine dargestellt ist, mit abgerundeten Vorderkanten. Um den Amboß sind vier Backen 21 angeordnet und am Amboß 22 dergestalt gelagert, daß sie beim Erzeugen eines Fügepunkts mit den Verfahren des Durchsetzfügens elastisch und federnd zur Seite ausweichen können.

[0012] Erfindungsgemäß wird die obere (vordere) Stirnfläche des Amboß 22 mit der oben beschriebenen Kohlenstoffbeschichtung DLC beschichtet. Die Beschichtung kann sich dabei auch auf einen Teil der Mantelfläche des Amboß 22 erstrecken.

[0013] Die beschichteten Bereiche sind in Fig. 3 mit einer strichpunktierten darüberlaufenden Linie bezeichnet.

[0014] Fig. 4 zeigt die ebenfalls erfindungsgemäß beschichteten Backen 21 der Matrize 20. Erfindungsgemäß muß zumindest die Ober- (Vorder-)seite der Backen 21 DLC-beschichtet sein. Es empfiehlt sich aber, die Backen 21, die ja stets besonders hohen Belastungen beim Durchsetzfügen ausgesetzt sind, vollständig in der oben beschriebenen Weise mit Kohlenstoff zu beschichten, wie dies in Fig. 4 durch die strichpunktierte Linie angedeutet ist.

[0015] Fig. 5 zeigt einen Stempel 30, der zur Erzeugung eines Fügepunkts mit der Matrize 20 zusammenwirken kann. Dieser umfaßt insbesondere einen zylindrischen Ansatz 32, dessen Durchmesser etwas kleiner ist als der Durchmesser der Öffnung, die von den Backen 21 gebildet wird. Erfindungsgemäß ist auch dieser zylindrische Teil 32 des Stempels 30 in der oben beschriebenen Weise mit Kohlenstoff DLC-beschichtet. Die Beschichtung sollte sich dabei mindestens auf die Stirnfläche des zylinderförmigen Teils 32 und einen Teil der daran anschließenden Mantelfläche erstrecken.

[0016] Erfindungsgemäß kann diese Beschichtung auch nachträglich auf bereits existierende Matrizen und Stempel aufgebracht werden. Außerdem kann die Beschichtung erfindungsgemäß bei Abnutzung erneuert werden, so daß statt einem Ersatz der jeweiligen Werkzeuge ein Neubeschichten genügt.

[0017] Durch die erfindungsgemäße Beschichtung können die erforderlichen Fügekräfte sowohl beim Durchsetzfügen, als auch beim Stanznieten erheblich verringert werden. Gleichzeitig erhöht die Standzeit der Werkzeuge wesentlich, es kommt kaum noch zu Fehlern und es entstehen keine Anlegierungsprobleme bei der Verarbeitung aluminiumhaltiger Bleche. Im folgenden sind entsprechende Versuchsergebnisse beispielhaft angegeben:

[0018] Das Problem "abstehende Niete" führte in der Vergangenheit zu einer kontinuierlichen Erhöhung des Setzdruckes. Es ist nicht mehr nachvollziehbar, warum es über die Zeit zu diesem Umstand kam. Um ein zufriedenstellendes Ergebnis bei der Verarbeitung zu erreichen, wurde der Setzdruck auf ca. 250 bar eingestellt, was ca. 49 kN entspricht. Aus den gesammelten Erfahrungen hat sich gezeigt, daß dies die einzige Möglichkeit ist, um eine zufriedenstellende Nietverbindung zu erzeugen. Der höhere Druck stellt für alle Anlagenkomponenten eine höhere Belastung dar, was zu einem vorzeitigen Verschleiß verschiedener Komponenten führen kann.

[0019] Um den Verarbeitungsdruck zu reduzieren, wurden in der Vergangenheit verschiedene Versuche unternommen. So wurden Stanzniete gewachst bzw. verschiedene Lieferanten für die Oberflächenbeschichtung getestet, um hier ein positives Ergebnis zu erzielen. Leider brachten diese Maßnahmen keinen signifikaten Erfolg.

[0020] Werden Umformwerkzeuge aus Stahl, wie z.B. Stanznietmatrizen, zum Umformen von Aluminium ohne Gleit- bzw. Schmiermittelzusatz d.h. zur Trockenumformung verwendet, so kommt es mit der Zeit zu einer Anhaftung bzw. Kaltaufschweißung von Aluminiumpartikeln auf der Stahloberfläche. Dies hat eine Erhöhung des Reibungskoeffizienten zur Folge und reduziert somit das Fließverhalten des Materials in der Matrize. Um bei einer Matrize mit einer rauheren Oberfläche im Vergleich zu einer Matrize mit einer glatten Oberfläche, gleiche Ergebnisse im bezug auf das Fließen des Materials zu erzielen, muß die erforderliche Kraft zur Überwindung des Reibungswiderstandes deutlich vergrößert werden.

[0021] Der in diesem Beispiel durchgeführte Versuch sollte den Einfluß einer sogenannten DLC-Beschichtung auf der Matrizenoberfläche zeigen. DLC (Diamond like Carbon) hat die Eigenschaft, eine Schicht zu erzeugen, die sehr hart ist und sehr gute Trenneigenschaften besitzt. Ist die Schicht unbeschädigt, kommt es zu keiner Anlagerung von Aluminium auf der Oberfläche.

[0022] Um im Versuch den Nachweis dieser Theorie zu führen, wurden Matrizen mit einer DLC-Beschichtung eingesetzt. Der Setzdruck wurde auf ca. 210 bar, ca. 41 kN reduziert. Über drei Arbeitstage (entspricht ca. 50.000 Nietungen pro Matrize) wurde der Einfluß unter produktionsnahen Bedingungen überprüft. Alle in diesem Zeitraum durchgeführten Nietungen zeigten ein i.O.-Verhalten, d.h. der Nietkopf lag auf der Bauteiloberfläche auf. Um zu Überprüfen, ob dies ein rein zufälliges Ergebnis war, wurden zum Test gebrauchte unbeschichtete Matrizen eingesetzt. Die erste Nietung mit diesen Matrizen zeigt einen abstehenden Niet und ebenso bei zehn weiteren genieteten Trägern. Darauffolgende Nietungen mit DLC-beschichteten Matrizen ergaben ein i.O.-Setzbild.

[0023] Der Nachteil der DLC-Beschichtung besteht darin, daß die Schicht mit der Zeit Verschleiß aufweist und somit die Anhaftung von Aluminium wieder entsteht. Abhilfe kann hier ein zyklischer Wechsel der Matrizen z.B. wie im Versuch ermittelt, alle drei Tage schaffen. Es besteht die Möglichkeit, diese Matrizen dann zu entschichten und neu zu beschichten. Hier muß ein logistischer Ablauf geschaffen werden, der die Anzahl der in Umlauf befindlichen Matrizen kostengünstig realisiert. Geschätzt wird, daß die Lebensdauer einer wiederbeschichteten Matrize ca. 60 % der einer neuen beschichteten Matrize entspricht. Dies gilt es jedoch in der Praxis nachzuweisen.

[0024] Kostenmäßig ist mit einem höheren Preis pro Matrize, aufgrund der relativ hohen Kosten für die Beschichtung, zu rechnen. Wird dies jedoch im Vergleich zu der höheren Lebensdauer der Matrize gesehen, reduzieren sich die Kosten, die bei Matrizenbruch auftreten. Des weiteren hat eine Reduzierung des erforderlichen Drucks positive Auswirkung auf die Lebensdauer des Gesamtsystems, welches Hydraulikkomponenten und andere mechanische Komponenten umfaßt.

[0025] Die Versuche wurden mit Original Matrizen, Art.-Nr. A000T-47195, mit einer DLC Beschichtung durchgeführt. Bei 50.000 Nietungen wurden die Matrizen ausgebaut und nachpoliert, da sich an den Stellen, an denen die Beschichtung abgeplatzt war, Aluminium angesammelt hat. Nach dem Polieren war die Matrize an diesen Stellen wieder metallisch blank. Die Trägerstückzahlen wurden am Gesamtzähler abgenommen. Unbeschichtete Matrizen erfordern einen Setzdruck von ca. 250 bar, um ein zufriedenstellendes Setzbild des Stanznietes zu erreichen.

Ansprüche

1. Vorrichtung zum Verbinden von Blechen durch Stanznieten oder Durchsetzfügen mit einer Matrize (10; 20), dadurch gekennzeichnet, daß die Matrize (10; 20) zumindest teilweise mit einer Kohlenstoffschicht beschichtet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Matrize (10; 20) in dem dem Fügepunkt zugewandten Bereich mit einer Kohlenstoffschicht beschichtet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, zum Durchsetzfügen mit einem zusätzlichen Stempel (30), dadurch gekennzeichnet, daß auch der Stempel (30) zumindest teilweise mit einer Kohlenstoffschicht beschichtet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Matrize (20) einen Amboß (22) mit auf diesem seitlich beweglichen Backen (21) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl der Amboß (22) als auch die Backen (21) zumindest teilweise mit einer Kohlenstoffschicht beschichtet sind.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Kohlenstoffbeschichtung um eine "diamond-like Carbon"-(DLC)-Beschichtung handelt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kohlenstoffschicht durch Plasmabeschichtung oder Sputtern aufgebracht ist.

Zeichnung